压力容器法兰的合理设计.pdf

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2013年第16卷
压力容器法兰的合理设计
张焱,康秋芬
(中航黎明锦西化工机械(集团)有限责任公司,辽宁葫芦岛125001)
[摘要GB150-2011《压力容器》标准中法兰设计方法米用华特斯( Waters)法,使用该方法影响设计的因素涉及十几个
变量,对整个连接设计有较大影响。若设计人员对此不甚明了,设计结果将相差甚远。本文对法兰的合理设计进行了归纳总
结
关键词]压力容器;法兰;华特斯法;垫片;螺栓;合理设计
法兰通过紧固螺栓压紧垫片实现密封,属泄漏,需作用在单位垫片有效密封面积上的最
于强制密封。华特斯在其论文中指出:“法兰设压紧力与介质压力的比值,称垫片系数,用m表
计”实际上包括墊片设计,螺栓设计和法兰设计示。材料愈硬,硬度愈高,其m值愈大。
三部分,并且依次进行,任何一步设计失利都会
由于m系由试验所得,鉴于试验基准修正,m
直接影响以后步骤的进行,设计结果将相差甚值需乘以修正系数2,故单位压紧面积上的压紧力
远。法兰的合理设计应从垫片设计开始。
为2mp。由此可得垫片在操作状态下的最小压紧力
1垫片设计
垫片是构成密封的重要元件,是螺栓法兰连
Fp=6.28D compe
接设计的基础。密封效果好坏主要取决于垫片的1.3垫片宽度
密封性能。因工件介质、压力和温度的不同,影
从以上两个垫片载荷计算式可以看出,它们
响选择垫片的因素很多。而垫片材料的选择和垫都与垫片有效计算宽度b有关。显然b愈小(即垫
片宽度均是影响螺栓法兰联接设计结果的重要因片宽度愈小),Fa、Fp也愈小,对减少垫片载荷
素。为此需对垫片设计进行分析。
有利。然而垫片的宽度还受到垫片预紧时的“压
1.1垫片比压力
碎强度”的限制。垫片在预紧时应是既被压紧以
垫片比压力与强制密封的预密封条件相联保证垫片表面能嵌入法兰密封面中,建立起预密
系。为消除法兰密封面与垫片接触表面间的缝
封条件;而又不能过度压紧,使垫片失去弹性而
隙,保证垫片表面嵌入法兰密封面的沟槽中去,
进入塑性状态。因法兰在加压以后,密封面必然
以消除泄漏通道,在垫片上必须施加足够大的预要产生或多或少的分离,如果整片在预紧状态
紧力,这种为建立预密封条件,需作用在单位垫
已经进入塑性状态,丧失回弹性,则随着法兰面
片密封面积上的最小压紧力称为垫片比压力,用的分离不是出现间隙就是保持不了足够大的压紧
y表示,单位MPa。由此可得垫片在预紧时所需的
力,从而导致泄漏发生。
最小压紧力为
为保证垫片在弹性状态下工作,在预紧时单
a=3.14dgby
位密封面积上的压紧力应该控制在4y左右。因此
1.2垫片系数
正常垫片“单位面积”的预紧力应在y-4y之间
控制垫片单位面积上的预紧力小于4y的措施是使
垫片系数与强制密封的操作密封条件相联
垫片具有足够的宽度。
系。垫片在内压作用下保持密封的条件是:介质
在通过密封面时所产生的阻力大于介质压力与大
气压力的压差形成的推动力。显然阻力与垫片和
作者简介:张焱(1978-),女,辽宁人,本科,工程师。从
事压力容器设计、制造工作。
法兰密封面间的密封力相关。为保证介质不发生
第4期
张焱等压力容器法兰的合理设计
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较硬、强度较高的垫片材料,虽然其m和y都
整个螺栓组设计的核心是使螺栓中心囻直
较大,会造成较大的Fa、Fp,然而由于其“压碎径具有最紧凑的尺寸。因为螺栓中心圆直径的大
强度”亦高,则可采用较小的垫片宽度,从而最小直接影响到法兰力矩中各个分力矩的力臂的大
终获得不太大的垫片载荷,达到设计的经济性。小,为了使法兰设计力矩能控制在尽可能小的数
垫片设计的关键是控制尽可能小的垫片载荷。
值,限制尽可能小的螺栓中心圆直径成为问题的
但在给定的设计条件(压力、直径)下,采关键。
用何种垫片并使用多大的宽度是一个需要计算比
合适的螺栓设计应围绕“最小螺栓中心圆
较的问题,并非可以简单决定
直径”进行。为此应分析螺栓中心圆直径受何控
2螺栓设计
制,又应如何确定的问题。
螺栓设计与墊片压紧力相对应,分别以预紧
根据结构要求,螺栓中心圆直径(以Db表
和操作两种工况进行计算。垫片材质、形式和尺
示)受三方面的限制:
寸确定后,垫片在预紧和操作情况下所需要的压2.1沿法兰密封面的径向结构要求,见图1。
紧载荷便可求出,这种压紧力由螺栓提供,由此
D>Dgo+2△+d
可相应的确定所需要的螺栓面积。
式中:Dgo-垫片外径;?-垫片外径与螺孔内
在预紧状态下所需的螺栓面积为Aa,在操作缘间距,随不同密封面形式及法兰直径而异;d-螺
状态下所需的螺栓面积为Ap。
孔直径,一般比螺栓直径大2~3mm
通常情况下,实际配置的螺栓总根径截面积
D与螺孔直径d有关,随所选螺栓直径(d)
Ab应稍大于Aa和Ap之大者,其大值称为螺栓计算的增大而增大。
面积,以Am表示。
2.2沿法兰背面径向结构要求,见图1。
D go
图1最小螺栓中心圆直径的确定
DA之DA+2g1+2R
栓的最小间距为6min,当所选的螺栓个数为n,
式中:g-法兰大端厚度:R-为保证扳手上紧其所要求的最小螺栓中心圆直径D必须满足:
螺栓所需要的最小径向空间距离,此值随所选螺
D> 8 minen/m
栓直径的增大而增大;
式中:8min-螺栓最小闾距。
DA随所选螺栓直径()的增大而增大
D随所选螺栓直径增大因δmin值增加而有所
2.3沿法兰环向分布的结构要求,见图1。
增大。但由于随d增大,每个螺栓的根径截面积f
为保证扳手上紧螺栓所需要的每两个相邻螺与d成二次方増大,为此造成螺栓个数n=Am/很